D級アンプの不具合について。 - 1669166404

1：ぼんぞー：2022/11/23(水) 10:20:04: たかじん様

おはようございます。お世話になります。
先日HPにてご相談させていただきました「ぼんぞー」です。

TPA3255を使用して120W/8Ω出力の基板を作成してみました。
初心者なので大変お恥ずかしい物となっています。

2×BTLモードで2chと考えていましたが、部品を乗せる事ができず、そのままモノラルで使用しております。

実装および確認を終えて、いざ電源ON…
音は出ているのですが、何か「ボツボツ」とノイズが乗っているな
と思っているうちに音が出なくなってしまいました。

再度電源ON！…同じだな… そうこう繰り返しているうちに完全に音が出なくなってしまいました…

一番初めに電源ONした時から/RESET、/OCはLになりLEDが点灯したままの状態でした。
原因が分からず困惑しております。
・電源供給状況は問題無し（電圧測定しました）
・発熱は音が鳴っている時は放熱盤がほんのり暖かくなる程度
・気になる点はAVDD電圧はマニュアルには[7.75V]と記載ありましたが[1V]程度しかありませんでした。
内部出力電源なので「何でだろう？？」と悩んております。

回路図等のリンクを貼ります。
何かご教授いただければ幸いです。何卒宜しくお願い致します。
※アンプおよび電源に関係ない部分は消去しております。

https://i.postimg.cc/XJXR0kxN/TPA3255-221121-question-01.png
https://i.postimg.cc/rpGmrMLR/TPA3255-221121-question-02.png
https://i.postimg.cc/KjWv2Ytw/TPA3255-221121-question-03.png
https://i.postimg.cc/C1PwGKr5/TPA3255-221121-question-04.png
https://i.postimg.cc/QdGhkwmQ/TPA3255-221121-question-05.png
10：たかじん：2022/12/08(木) 16:41:26: ぼんぞーさん

日々進化がみえて良いですね。
パチパチ音ですか。　D級アンプではそういったノイズの現象をオシロで
捉えるのはなかなか難しいかもしれませんが、入力信号にノイズが乗っていないか確認するのと、
TPA3255のコントロール系、プロテクション系の確認ですね。

例えば、RESET端子にノイズが混入していないか。
電圧検知（Undervoltage protection）、電流検知（Overcurrent limit protection）なども一つ一つ確認していく
地道な作業になります。

出力の電流リミットは、出力コイル鉄心の磁器飽和も注意してください。
飽和したとたん電流がドカーンと流れます。
（今回は少出力時のノイズですので関係ないとは思いますが）
11：ぼんぞー：2022/12/10(土) 15:42:05: たかじん様

こんばんは。お世話になります。
ぼんぞーです。
ご教授誠にありがとうございます。

コントロール系／プロテクション系の確認を行おうと色々いじっております。
ただ… ICが急にFAULTから抜けなくなり… 飛ばしてしまったのかと落ち込んでいます。

とりあえずBTL OUTとリセットの波形は確認できました。
結構大きなノイズが乗っているなと感じています。
試しにRESET端子に積セラ0.1μをGND間につけてみたのですが、現状変わりありませんでした。

ある一定のW数の時のみノイズが出ます。
だいたい6W～28W程度でノイズが出て、それ以上/以下は出ないのです。
またICが冷めている時はノイズの頻度が多く、温まってくると下がってきます。

PVDDはDC48～51V供給しております。

ICが飛ぶ前にキャプチャーしたオシロ画像を添付させていただきます。

ICを交換しようとも、もう結構基板パターンの方がやられてきてまして…
落ち込んでおります。

またご教授いただけでば幸いです。

https://i.postimg.cc/3NJs10zC/BTL-OUTPUT.png
https://i.postimg.cc/nzngVQVb/RESET.png
12：ぼんぞー：2022/12/12(月) 19:40:22: こんばんは。お世話になります。
ぼんぞーです。

「電圧検知、電流検知などの確認」とご指摘いただきました。
これはどのような確認になるのでしょうか？
無知で申し訳ございません。
13：たかじん：2022/12/15(木) 22:51:41: ぼんぞーさん

> 結構大きなノイズが乗っているなと感じています。
> 試しにRESET端子に積セラ0.1μをGND間につけてみたのですが、現状変わりありませんでした。

GNDはパワー系とコントロール系、アナログ信号系とで分けているような回路図になっていましたが、
TPA3255の近くで接続してあげた方がデカップリングコンデンサの効きが良くなり、外部からの
ノイズ混入は防止しやすくなります。

オシロ波形をみる限り、入力信号に同期しているか、定期的なノイズに見えますね。

>「電圧検知、電流検知などの確認」とご指摘いただきました。
> これはどのような確認になるのでしょうか？

電圧検知の方は、データシートに記載のある通りです。
RESET端子やVddなどのスレッショルド電圧に達していないかをオシロで確認するくらいです。

あと、データシートを見ていて気が付いたのですが、MODE設定の確認をした方が良いです。Table 1です。
M2,M1を0,0にしているのに、INPUT_C,INPUT_Dを0,0 というのは動作モードとして矛盾が出ている可能性もあります。
2 × BTL で使用しようとしているのか、1 x PBTLなのか。

最初に書きましたがOUT_C,OUT_Dを浮かせている（どこにも接続していない）点も気になりますね。
14：Himazin：2022/12/15(木) 23:05:08: AVDDが低かったのは入力端子をGNDに落としていたことで入力段が死んだ可能性があります。
あと入力のパターンと入力カップリングコンデンサが出力のパターンやLPF回路に近接させると
ノイズが発生しますので注意してください。
15：ぼんぞー：2022/12/18(日) 11:49:58: たかじん様

こんにちは。お世話になります。
ぼんぞーです。
今回も色々とご教授誠にありがとうございます。

＞TPA3255の近くで接続してあげた方がデカップリングコンデンサの効きが良くなり、外部からの
＞ノイズ混入は防止しやすくなります。

確かに離れた部分で全GNDを共通化する形にしています。（基板の中央～下に各GNDを落とすラインを作りそこで落としています）

電圧検知の件理解しました。

MODE設定の件はTIのカスタマーに回路図を見てもらい「特に問題ない」と回答いただきました。
またOUT_C,OUT_Dの部分もカスタマーより「ブートストラップ」のコンデンサさえ出力に接続していれば問題ない」と回答いただきました。

＞オシロ波形をみる限り、入力信号に同期しているか、定期的なノイズに見えますね。
キャプチャーした部分を見ると定期的に見えるのですが、音を聞く限りはランダムに出ている感じです。

IC破損＆基板パターンがヤバくなってきましたので、現状次の検証にいけないのが現状です。
近日中に何とか検証可能を構築しようと思います。諦めずに頑張ってみます。

Himazin様

こんにちは。初めまして。
ぼんぞーです。
ご教授誠にありがとうございます。

＞AVDDが低かったのは入力端子をGNDに落としていたことで入力段が死んだ可能性があります。
そうなんですか！ここもTIのカスタマーに確認したのですが「問題ない」と聞いております。再度確認してみます。

＞あと入力のパターンと入力カップリングコンデンサが出力のパターンやLPF回路に近接させると
＞ノイズが発生しますので注意してください。
基板パターン再度確認してみます。
16：たかじん：2022/12/25(日) 12:28:10: ぼんぞーさん

ノイズの件、ちょっと気になった点がありました。
https://i.postimg.cc/6QKZGZd1/2022-12-25-120905.png

こちらに上げた赤丸の部分は入力の音声信号に対してノイズ源になります。
特にアンプ出力は50Vほどの振幅で激しくスイッチングしているため、10mV以下の入力に対しては
相当な厄介ものです。（Himazin さんの仰る通りです）

更に、アンプに供給している電源ラインも同様にスイッチングに同期して電流が食われるためノイズ発生源になります。
あとDC/DCコンバーターを使っているようですが、それらもノイズ源になります。

ここからが厄介なのですが、2つの異なるスイッチング回路（この場合D級アンプとDC/DC電源）があると
お互いの周波数の違いにより変調ノイズを新たに生み出します。
同期がとれるようでしたら同期パルスを入力して同期した方が変調を起こさなくなるのですが、
おそらく一般のDC/DCコンバーターには同期信号入力が備わっておりません。

ですので、対策としては、これら2つのスイッチング回路を物理的に距離を離すということと、
音声信号も距離を離す方が良いです。
基板の図で言うと、アンプICの上側に入力回路を配置するような感じです。

https://i.postimg.cc/85Dx3ZLB/aaaaaa.jpg
こんなイメージでしょうか。白塗りの部分に何の回路があるのかは不明ですので、何とも言えませんけども。
17：ぼんぞー：2023/01/05(木) 13:18:00: たかじん様

こんにちは。お世話になります。
ぼんぞーです。
ご連絡遅れ誠に申し訳ございません。
また色々とお調べいただき本当に感謝いたします。

何とか破損したICを交換、パターンを修復して現状の基板で検証続けております。
1点発見したのは、リセット回路周辺のベタGNDがPVDDから浮いている事に気づきました。
そこを修復および他のGNDもICの近くで太い配線で落とすようにしました。
すると例のパチパチノイズが消えました。これが影響していたのかどうか確認するためにGNDを元に戻したのですが、ノイズが出ません。

原因が？？なので調べようと思いますが、いったん結果オーライで先に進もうと思います。

ノイズが乗っている状態の時にDC/DCコンバータのリップルノイズは大丈夫かと気にしていたのでコンバータを外し
安定化電源を接続して状況を確認したのですが、特に変化はありませんでした。
DC/DCコンバータは一般のものなので同期信号入力はありません。

ご指摘いただきました音声最終ラインは太目のGNDを挟んでDC/DCコンバーターとPAの出力ラインの間を通っていってます。
（入力前段音声切替やフィルター回路をDIP部品で構成していたので結構場所をとり… 電源部とPA部をできるだけまとめて左側に載せれれば…
と思い配置を決めました。
音声ルート的にはご提案いただいたルートが最適かと思います。次回基板を作成する際はこの位置で考えようと思います。

現状安定して動いているので（基板がボロボロですが笑）いったんこのまま進めようと思います。
原因は落ち着いたらまた確認しようと思います。また基板もご教授いただきました部分を改善して完成したいと思います。
ちょっと今は先立つものが無いのでまた機会を見て基板変更しようと思います。

また色々と悩む事が出てくると思いますので、その際はまたお助けください。
色々とお付き合いいただき本当に感謝しております。
今後とも何卒宜しくお願い致します。
18：たかじん：2023/01/11(水) 22:36:14: ぼんぞーさん

とりあえず上手く動くようになったようで良かったです。おめでとうございます。

リセット信号にノイズが乗って誤動作していたのかもしれませんね。
回路設計、基板設計のほか、実装の不具合も含めての評価は一筋縄では行かないですからね。

ひとつひとつ根気よく潰していく（確認していく）しかありません。